Date: June 20, 2003 at 22:25:07
From: Werner, [p3e9ba33d.dip.t-dialin.net]
Subject: Jetzt nochmal: Abkühlung durch Expansion

Hi Leute, mir scheint hier etwas durcheinander zu geraten. Es gibt zwei Effekte, die ein expaniderendes Gas abkühlen lassen. Zunächst die idealen Gase, zu denen Edelgase, Luft und auch Verbrennungsgase bei unseren Drücken in erster Näherung zählen. Bei adiabater und isentroper Expansion - also ohne Wärmeaustausch - kühlt das Gas durch die Expansion ab und verrichtet Arbeit. Das, was wir alle wollen. Im Airbag muß ebenfalls Arbeit aufgewendet werden, um das schlagartige Aufblähen zu bewirken. Bei dem krassen Druckverhältnis vor und nach der Expansion kühlt sich der Inhalt stark ab. (Das das zu Erfrierungen kommen kann, wußte ich nicht, ist aber vorstellbar, meine Auto hat sowas noch nicht.) Im Gegenzug erwärmt sich theoretisch die im Fahrgastraum komprimierte Luft, was man aber wohl kaum erfassen kann. Einatomige Gase haben den höchsten Isentropenkoeffizienten (kappa) von 1,67 und kühlen bei Arbeitsexpansion am stärksten ab. Die Temperatur stellt sich ein gemäß T2=T1*(V1/V2)^(kappa-1) . Zweiatomige Gase habe éin kappa von 1,4 und dann geht es immer näher an 1 heran. Für Luft 1,4 und für CO2 1,3 paßt ganz gut. Benzindämpfe liegen bei 1,1 oder nahe 1. (Eine praktische Anwendung ist z.B. beim Antreten älterer Gummikühe gegeben, wenn man rätselt, ob es nun zu fett ist oder zu mager. Mit Benzindampf fühlt sich der Kick matschig an, ohne ist er hart, dazwischen liegt das richtige Gemisch.) Beim Injezieren von Brenngas in einen Verbrennungsraum spielt die Arbeitsexpansion des Gases eine untergeordnete Rolle. Die Injektionsdrücke sind deshalb so hoch, weil Widerstände in den Düsen, Leitungen, Ventilen überwunden werden müssen. Die Beschleunigung der Strömung geht ebenfalls beträchtlich ein. Anders gesagt, das Gas verrichtet keine oder kaum nutzbare Arbeit durch die Expansion in den Brennraum. Die Energie wird an den Drosselstellen aufgezehrt. Man spricht von adiabater Drosselung. Ideale Gase bzw. Gase, deren Zustandsgrößen weit weg vom kritischen Punkt liegen, haben bei adiabater Drosselung keinen Temperaturabfall. Die Arbeitsenergie wird sozusagen für die Wiederaufheizung des Gases verbraten. Reale Gase weichen jedoch in ihrem Verhalten ab, was die Thermodynamik mit dem Joule-Thompsen Effekt beschreibt. Die Formeln erspare ich Euch jetz mal. So, Erdgas hat nominell ein kappa von ca. 1,3 , dürfte also bei Expansion gar nicht so stark abkühlen, wie z.B. Luft oder Rauchgas. In der Nähe des Verflüssigungspunktes tut es das aber gewaltig! So verdichten wir beim Erdgasspeicher der THYSSENGAS AG das Methan auf ca. 40 bar und kühlen es auf -130°C. Beim Entspannen auf Atmospährendruck kühlt es bis auf den Verflüssigungspunkt von -163°C durch den Joule-Thompson Effekt weiter ab. Schicken wir hingegen bei Umgebungstemperatur Erdgas durch Druckreduzierstationen (das sind die kleinen Häuschen, in denen es im Winter immer so laut zischt), dann beträgt die Abkühlung nur wenige Grad. Sie ist aber meßbar und erfodert ggf. auch ein moderate Wiederaufheizung. Was heißt das nun praktisch? Ob ein- oder zwei- oder wievielatomig, in den Bereichen, wo wir uns mit den Motoren bewegen, spielt der Joule Thompson kaum eine Rolle. Dazu muß es viel, viel kälter sein. Die Expansion des eingedüsten Gases ist nicht isentrop, sondern in erster Näherung isenthalp (sprich: gedrosselt). Daher ist eine Temperaturabsenkung durch die Injektion nicht in bedeutendem Maße zu erwarten. Der Zündverzug ist allerdings tatsächlich etwas größer. Bloß stört das bei den Schiffsungetümen niemanden. Da werden die Umdrehungen noch pro Minute mitgezählt. Werner P.S. Bernd, für Dein Vorhaben wünsche ich Dir aber viel Glück. Ich würde mich in eine solche Knattergasrakete kaum reinsetzen. Dann doch lieber den PÖL-getriebenen Flugmotor. Iss mir irgendwie sicherer.